2.2. Электрооптический модулятор. Исследуемые закономерности

Назначением модуляторов света является управление параметром электромагнитной световой волны в соответствии с законом изменения ин-формационного сигнала. Для переноса информации световой волной можно использовать модуляцию интенсивности (амплитуды), частоты, фазы и по-ляризации. Наиболее развитыми в настоящее время являются методы ам-плитудной модуляции. По принципу действия амплитудные модуляторы света долятся на электрооптические, магнитооптические и акустооптиче-ские. В основу работы ЭО-модуляторов света положено использование

ЭО-эффекта Поккельса в кристаллах; сущность этого эффекта заключается в изменении оптических свойств твердых тел под действием электрического поля.

Если световой пучок направлен вдоль оптической оси кристалла, то без приложения электрического напряжения и совпадают, в результате че-го плоскость поляризации света после прохождения его через кристалл со-храняет свое положение в пространстве. При приложении полуволнового напряжения плоскость поляризации поворачивается на . Если кристалл поместить между "скрещенными" поляризаторами и на вход одного из них подать свет с поляризацией, соответствующей его пропусканию, то при от-сутствии напряжения световой пучок не будет проходить через второй по-ляризатор, а при подаче полуволнового напряжения достигнет своего мак-симального значения.

В случае промежуточных значений приложенного к кристаллу модули-рующего напряжения интенсивность светового потока на выходе второго поляризатора (анализатора) описывается следующим выражением:

где и -интенсивности светового потока на входе и выходе ЭО-модулятора. Вид зависимости (2.7) представлен также на рис. 2.2. Из зависимости на рис. 2.2 следует, что при изменении напряжения пода-ваемого на ЭО-кристалл модулятора, можно практически осуществить 100%-ю модуляцию светового потока. Средняя часть модуляционной харак-теристики (зависимости от ) почти линейна. Работа на этом участке ха-рактеристики обеспечивает минимальные нелинейные искажения сигнала при высоком коэффициенте модуляции. Такой режим работы можно создать смещением рабочей точки модулятора с помощью постоянного так назы-ваемого поляризующего напряжения, равного либо исполь-зованием специальной пластинки, обеспечивающей создание разности хода в (слюдяная или кварцевая пластинка) (рис. 2.2, б).

Приведённые выше выражения для относятся к продольному

ЭО-эффекту, когда направление приложенного электрического поля совпа- дает с направлением светового потока. При использовании поперечного ЭО-эффекта, когда направление светового пучка ортогонально приложен- ному напряжению, выражение для приобретает вид (2.8)

где - расстояние между электронами. Из сравнения (2.6) и (2.8) видно, что при поперечном ЭО-эффекте достигается выигрыш по напряжению. Этот

выигрыш равен Так, в исследуемом модуляторе типа МЛ-3 на KDP

рязмер ЭО-кристалла в направлении распространзния света = 100 мм, а в направлении электрического поля = 4 мм, и = 600 В в сравнении с =7500 В в случае продольного ЭО-эффекта.

По этой причине в выпускаемых б настоящее время ЭО модуляторах в основном используется именно поперечный ЭО-эффект, позволяющий уменьшить управляющие напряжения. В таких приборах свет распространя-ется в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла. Поэтому существенную роль здесь начинает играть естественное двулучепреломле-ние кристалла. Наличие естественного двулучепреломления приводит к по-явлению разности фаз между ортогональными составляющими проходяще-го через кристалл света и к изменению плоскости поляризации даже в от-сутствие управляющего напряжения. Последнее, в свою очередь, вызывает сдвиг модуляционной характеристики по оси абсцисс.

Схема модулятора, основанного на использовании ЭО-эффекта в кри-сталлах, представлена на рис. 2.3.

В экспериментальной ус-тановке в качестве источника использован гелий-неоновый ( )-лазер,

дающий линейно поляризо-ванное монохроматическое излучение на длине волны - 632.8 нм при диаметре Светового пучка 3 мм. В этом случаи ставить поляризатор (П) 3 не требуется.

Линейно-поляризованный световой пучок проходит через ЭО-кристалл 4, к которому приложено электрическое поле, анализатор (А) 5 и регистри-

руется на фотоприемнике 6. Главные плоскости П и А взаимно перпендику-лярны и составляют с направлениями осей кристалла некоторый угол.

При отсутствии напряжения U на кристалле ( =0)свет через такую систему не проходит. При наложении на кристалл электрического поля воз-никает двойное лучепреломление и между и лучами появляется раз-ность. фаз , в результате чего линейно-поляризованный свет превращается вплиптически-поляризованный. Оси эллипса изменяются в соответствии с изменением модулирующего напряжения, т. е. вектор поляризации света, проходящего через кристалл, вращается. При свет обладает круго-

вой поляризацией, а при поляризация света ортогональна исходной

Таким образом, при изменении напряжения на кристалле осуществля-ется модуляция поляризации света.

В зависимости от ориентации вектора поляризации часть излучения проходит через анализатор А. Так возникает амплитудно-модулированный свет, который регистрируется фотоприемником, причем переменная состав-ляющая регистрируется на фоне постоянной составляющей Выделе-ние и осуществляется на установке с помощью осциллографа.

Из уравнения (2.7) видно, что зависимость на начальном участке модуляционной характеристики нелинейна (см. рис. 2.2). Выйти на линей-ный участок можно приложением к ЭО-кристаллу постоянного смещения или введением в схему модулятора позади анализатора А фа-зовращателя с независимым от времени фазовым сдвигом В таком слу-чае

Фазовращатель 8 (см. рис. 2,3) представляет собой тонкую слюдяную пла-стинку, обладающую свойством двойного лучепреломления и дающую на выходе разность фаз что соответствует четверти длины волны

Амплитудная характеристика ЭО-модулятора с фазовращателем, фа-зовый сдвиг которого линейная. По измеренной модуляционной характеристике можно определить глубину модуляции света:

Свет на выходе ЭО-модулятора характеризуется также значением пе-ременной составляющей интенсивности. Поэтому одной из важнейших ха-рактеристик модулятора является его эффективность определяемая от-ношением к интенсивности падающего света

где - интенсивность переменной составляющей сигнала.

Глубину модуляции можно выразить и как

где - средний уровень (постоянная составляющая сигнала на выходе мо-дулятора); С - контраст, определяемый как и

Рис. 2.5 поясняет изложенное. Нулевой уровень соответствует пол-ному перекрыванию светового пучка на фотоприемнике.

Управлять положением рабочей точки на характеристике ЭО-модулятора можно, не только изменяя значение электрического смеще-ний на кристалле, но также и ориентацией самого кристалла по отношению к проходящему через него лазерному лучу. Независимая операция юстировки кристалла вокруг вертикальной оси модулятора достигается тем, что моду-лятор укреплен на трехкоординатном качающемся столике. В результате оказывается возможным выставление лазерного луча строго по длине кри-сталла, что соответствует линии оптического визирования. Малейшее боко-вое отклонение лазерного луча проявляется в изменении уровня сигнала на

выходе фотоприемника. Наблюдать последовательные стадии сдвига рабо-чей точки характеристики ЭО-модулятора можно на экране осциллографа. При выведении рабочей точки из квазилинейной части характеристики в об-ласть, максимума четко проявляется эффект удвоения частоты в электрон-ном тракте. Этот эффект достигается как при изменении электрического смещения, так и при изменении ориентации кристалла вокруг вертикальной оси Данный способ управления положением рабочей точки характеристики расширяет функциональные возможности ЭО-модулятора для различных технических применений, в частности оптимального вхождения в оптиче-скую связь при настройке лазерной линии связи с ЭО-модулятором.